载荷作用后粉煤灰混凝土氯离子渗透性能试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 3期 (总 第 3 0 5期) N u mb e r 3 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 3 0 0 3 载荷作用后粉煤灰混凝土氯离子渗透性能试验研究 姜慧 。 喻孟雄 ， 刘荣桂 ， 殷 惠光 ( 1 徐州工程学院 土木工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 1 ； 2 江苏大学 土木工程与力学学院， 江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 ) 摘要 ： 粉煤灰混凝土大量应用于海工 昆 凝土结构， 其耐久性对结构耐久性至关重要。 海工环境下 ， 混凝土受到载荷与氯离子的 双重作用， 极易出现耐久性问题。 开展了载荷作用后粉煤灰混凝土氯离子渗透性能试验研究。 研究结果表明： 粉煤灰掺量为 2 0 的混凝土， 从初期到后期始终具有 良好的抗氯离子渗透性能 ； 粉煤灰掺量为 3 5 和5 0 的混凝土， 初期抗氯离子渗透性能降低 ， 后期有所改善。 研究成果可为合理设计粉煤灰掺量提供参考 。 关键词 ： 海工环境 ； 氯离子； 盐雾 ； 混凝土结构 ； 耐久性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 o 1 5 ) 0 3 一 O 0 1 0 0 4 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h on c h l or i d e i on p e r me a b i l i t y o f f l y a s h c o n c r e t e a f t e r l o a di n g 3 ANG Hu i ，yUM e n gx i o n g ， LI U Ro n g gu i ， YI N Hu i gu a n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g， Xu z hnu I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 1 ， C h i n a ； 2 F a c u l t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ， J i a n g s u U n i v e i ty， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C hi n a ) Abs t r ac t： F l y a s h c o n c r e t e i s l a r g e l y a p p l i e d t o c o n c r e s t r u c t u r e i n ma r i n e e n v i r o n me n t ， a n d t h e i r d u r a b i l i t y i s c riti c a l t o the d u r a b i l i t y o f th e s t r u c t u r e I n ma r i n e e n v i r o n me n t ， c o n c r e t e w e r e s u b j e c t e d t o c o u p l i n g a c ti o n o f th e l o a d a n d c h l o ri d e i o n c o r r o s i o n and e a s i l y a p p e a r d u r a b i l i t y p r o b l e ms T h e t e s t o f c h l o ri d e i o n p e r me a b i l i ty o f fl y a s h c o n c r e t e a f t e r l o a d i n g wa s c a r r i e d o u t Th e r e s u l t s s h o w tha t wh e n t h e fly a s h a d mi x t u r e r a ti o i s 20 ， c o n c r e t e a l wa y s ha s g o o d re s i s t a n c e t o c h l o r i d e i o n p e r m e a b i l i t y f r o m th e e a r l y to th e l a t e W h e n the f l y a s h a d mi x t u r e r a t i o i s 3 5 a n d 5 0 ， c o n c r e t e o f i n i ti a l r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e i o n p e r me a b i l i ty d e c r e a s e ， l a t e r i mp r o v e d Th e r e s e arc h r es u l t s C an p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r r e a s o na b l e d e s i g n vo l u me of f l y a s h Key WOr ds： ma r i n e e n vi r o n me n t ； c h l o rid e i o n； s a l t s p r a y； c o n c r e s t r u c tur e； d u r a bi l i t y 0 引言 1 混凝土原材料选用及试件制作 目前 ， 大多数沿海混凝土结构由于受到氯离子的侵蚀 而过早报废 ， 远远达不 到设计使 用寿命 ， 造成 了巨大的经 济损失 ， 也对人们 的生命 安全形成 巨大的威胁 。 海 工 环境下? 昆 凝 土结构耐久性逐渐成为当前研究 的热点之 一。 混凝土是混凝土结构必不可少 的组成部分 ， 混凝土 自身 良 好的耐久性对混凝土结构的耐久性至关重要。 粉煤灰混凝 土作为一种 良好 的海 工用混凝 土 ， 广 泛应用 于现有 海工 混凝土结构 ， 研究 其 耐久 性具 有 重要 意义 。 国内外 学者 对粉煤灰混凝土的耐久性做 了大量研究 ， 得 到一些重 要结论 ， 但如何全 面合理地设计粉煤灰掺量 尚未形 成统一 结论 。 考虑到实际工程中混凝土受到载荷和氯离子侵蚀的 双重作用， 本设计制作一批不同粉煤灰掺量的混凝土试 件 ， 进行载荷作用后 的海洋 环境劣化试验 ， 研究 了粉煤灰 混凝土氯离子渗透性能 。 1 1 混凝 土原材料 ( 1 ) 水泥 采用徐州中联水泥厂生产的 P O 4 2 5级水泥， 其化 学成分见表 1 。 表 1 水 泥的化 学成分 材料名称S i O 2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 C a O Mg O N a 2 O K 2 O S O 3 L o s s ( 2 ) 粉煤灰 选 用徐州茅村 电厂生产 的 I 级 粉煤灰 ， 粉煤灰 的化学 成分见表 2 。 表 2 粉煤灰的化学成分 材料名称 S i O 2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 C a O Mg O N a 2 O K 2 O S O 3 L o s s 粉煤灰5 4 9 2 5 8 6 9 8 7 1 8 0 3 0 1 0 6 0 2 ( 3 ) 细骨料 河砂 ， 细度 模 数 2 8 ， 级 配 良好 ， 中砂 ， 表 观 密 度 为 2 6 8 0 k g m ， 含泥量为 2 4 9 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 1 7 基金项目： 国家自然科学基金( 5 1 2 7 8 2 3 0 ) ； 徐州工程学院重点专项基金项 目( X K Y 2 0 1 2 1 0 2 ) ； 国家建筑材料行业科技创新计划面上研究项 目 ( 2 0 1 3一M 31 0 ) 1 0 ， ram ( 6 ) 2 7 0d 图 4氯 离子 浓度 随深度 的变 化规律 开始 ， 氯离子浓度低于未掺粉煤灰混凝土 ； 掺量越大 ， 同一 深度 、 同一腐 蚀时 间下 ， 掺粉 煤灰 混凝 土 的氯离 子浓 度 越大 。 产生这些 现象 的原 因一 方面 是 “ 粉煤 灰效 应 的时 效性” ， 即粉煤 灰 的二 次水 化作 用 ( 化学作 用 ) 随 时 间发 生变化 ； 另一方面是 “ 粉煤灰掺量 的合理性 ” ， 即粉 煤灰掺 量改变混凝土的孔 隙结构 ( 物理作用) 。 分析试验结果 可知 ， 粉煤灰掺量为 2 0 的混凝土 ， 氯离子浓度始终最小 ， 是一个合理 的掺量 ， 能较好 地提 高混凝 土抗氯 离子 渗透 性能。 3 1 2 腐蚀 时间对氯离子浓度变化规律的影响 5 0 o - 等级载荷加载作用下 ， 不 同粉煤灰掺量的混凝 土 ， 深度 0 5 m m 范围内的氯离子浓度随腐蚀时间的变化 规律 ， 如图 5所示 。 1 2 t d 图 5 氯离子浓度随腐蚀时间的变化规律 由图 5可以看 出： ( 1 ) 混凝土 中氯离子浓度随腐蚀 时 间逐渐增加 ， 且在 3 0 9 0 d时间段 ， 增加速度较大 ， 在 1 9 O 2 7 0 d时 间段 ， 增速 放缓 。 这是 由氯 离子 浓度 梯 度 降低 、 粉煤灰二次水化反应 以及氯离子 与混凝 土成分反应 的生 成物填充孔隙等综合因素引起的。 ( 2 ) 与未掺粉煤灰混凝 土相比 ， 粉煤灰掺量 为 3 5 和 5 0 的混凝土 ， 氯离 子浓度 分布基本 以某 一时刻为分 界点 ( 3 5 对应 5 0 d ， 5 0 对应 1 9 0 d ) ， 分界 点 以前 氯离 子浓 度 高 ， 分界 点 以后 氯 离子 浓度低。 ( 3 ) 掺粉煤灰混凝土的氯离子浓度随掺量的增 加 ， 逐渐增大。 ( 4 ) 任意腐蚀 时刻 ， 粉 煤灰掺 量为 2 0 的混 凝 土 ， 氯 离子浓 度 均为最 小 ， 说 明其 抗氯 离子 渗透 性 能 最好 。 3 2 氯 离子扩散 系数 变化规律 目前 ， 国内外对氯离子在混凝土中的迁移规律有多种 解释和描述方法 ， 其 中扩散得到广 泛认 同。 氯离子 扩散 系 数是表征氯离子扩散的重要参数 ， 也可较好地反 映混凝土 的渗透性能。 本研究应用 F i c k第二定律对 氯离子 扩散进 行描述 ， F i c k 第二定律可 以表示为 ： 一O C ：D蜂 ( 1 ) d f a 。 单面侵蚀 时， 氯离子在混凝土 中扩散的边 界条件可 以 表示为 ： c ( ， = 0 ) =C 0 0 ( 2 ) C ( X = 0 ， t ) =C 。0 t 式 中： C o 混凝土任 意截 面处初始氯离子 质量浓度 ， 取 0 0 0 0 01 ： C 任意 t 时刻混凝土表面氯离子质量浓度。 将边界条件式 ( 2 ) 代入式 ( 1 ) ， 计算并 简化得到扩散 方程 的解析解为 ： c( ， )=C o+( cs C o ) ( 一P ( ) 式 中： D氯离子扩散系数 ； f 氯盐侵蚀时间； 氯盐侵蚀截面距混凝土表面 的距离 ； P 矿一误差 函数。 对式( 3 ) 进行反解， 可得氯离子扩散系数的计算式： 1 D ： l t 【 南】 混凝土表面氯离子质量浓度 C 的计算式为： C = 110 w 0 9 5 8 1 0 0 ( 5 ) 一 p 。 +如 5 ” 式 中： 混凝土孔隙度 ； p 氯化钠溶液密度 ； p 混凝土密度 ； 氯化钠溶液 中的氯化钠质量百分 比。 混 凝 土 孔 隙 度 由 试 验 测 定 ， 列 于 表 4 ； p 。为 2 4 2 0 6 7 k g m 。 ； p 为 1 1 4 0 g m ； o 9 为 5 。 表 4混凝土孔隙度 咖 3 2 1 粉煤灰掺量对氯离子扩散系数变化规律的影响 根据式 ( 4 ) ， 利用 Ma t l a b软件计算出不同粉煤灰掺 量 混凝土在不 同腐蚀 时刻 、 不 同深度处氯离子 扩散系数 值 ， 并绘制成图， 可得不同粉煤灰掺量混凝土氯离子扩散系数 随深度的变化规律 ， 如 图 6 所示 。 由图6可以看出： ( 1 ) 不同腐蚀时刻， 不同粉煤灰掺量 的混凝土， 氯离子扩散 系数随深度 的变化规律相近 ： 随着深 度增加 ， 氯离子扩散系数呈线性增加趋势。 ( 2 ) 腐蚀时间在 3 0 、 1 1 0 d时， 掺粉煤灰混凝 土的扩散系数与未掺粉煤灰混凝 土的扩散系数交叉迹象较为明显； 腐蚀时间在1 9 0 2 7 0 d 时 ， 不 同粉煤灰掺量混凝 土的扩散 系数 呈层次分布 ， 最终 3 5 3 0 2 5 吕 2 0 Q 1 5 1 0 0 5 0 5 l O 1 5 2 O 2 5 3 0 ， mm ( a ) 3 0d 吕 2 岛 f mm ( d ) 2 7 0d 图 6氯 离子扩 散 系数 随深度 的变化 规律 掺粉煤灰混凝土的扩散系数均小于未掺粉煤灰混凝土的 扩散系数。 ( 3 ) 相同深度处， 相同腐蚀时刻掺粉煤灰混凝 土的扩散系数随掺量增加 ， 逐渐 增大 。 ( 4 ) 粉煤灰 掺量为 2 0 的混凝土 ， 扩散系数一直处于最低水平。 3 2 2 腐蚀时间对氯离子扩散系数变化规律的影响 不同粉煤灰掺合 比下 ， 混凝土 0 - 5 m n l 范围内的氯离 子扩散系数 随腐蚀时间的变化规律 ， 如图 7所示。 0 9 0 8 O 7 岔 0 6 0 5 一v 0 4 岛 0 3 0 2 0 1 3 0 6 0 9 0 l 2 0 l 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 t d 图 7 氯离子扩散系数随腐蚀时间的变化规律 由图 7可以看 出： ( 1 ) 不 同粉煤灰掺量混凝土 的氯离 子扩散系数均随腐蚀时间的增加而减小 ， 且在 1 1 0 d以前 ， 减小速度较大 ， 1 1 0 d以后 ， 减小趋缓。 其原 因一方 面是 同 一 位置氯离子浓度增大 ， 浓度梯度减小 ； 另 方面是氯 离 子 与混凝 土成 分发 生反 应 ， 生 成物 填充 孔 隙， 阻碍 氯 离 子扩散。 ( 2 ) 不同粉煤灰掺量的混凝土， 氯离子扩散系数 存在差异 。 粉煤灰掺量为 3 5 的混凝土 ， 在腐蚀初期 ( 3 0 - 7 0 d ) ， 扩散系数大于未掺粉煤灰混凝土， 在腐蚀后期( 7 0 - 2 7 0 d ) ， 扩散系数小于未掺粉煤灰混 凝土。 粉煤 灰掺量 为 5 0 的混凝土 ， 在 3 0 2 5 0 d ， 扩散 系数 大于未掺粉煤灰 混 凝土 ， 2 5 0 d 后 ， 扩散系数小 于未掺粉煤灰混凝土 。 粉煤灰 掺量为 2 0 的混凝土 ， 扩散系数始终最小 ， 可见 ， 该粉煤灰 掺量从初期到后 期一直起到提高混凝 土抗 氯离子渗透性 能的作用 。 4结论 试验研究结果表明 ： ( 1 ) 粉煤灰掺量为 2 0 的混凝土 ， 氯离子浓度和氯离子扩散系数始终处于最小值 ， 从初期 到 后期均具有良好的抗氯离子渗透性能。 ( 2 ) 粉煤灰掺量为 3 5 和 5 0 的混凝土 ， 氯离 子浓度 和氯离 子扩散系数初期 较大 ， 随着腐蚀时间增加 ， 有所降低 ， 即初期抗氯离子渗透 性能降低 ， 后期有所改善 ， 且逐渐优于未掺粉煤灰混凝土 。 下转第 1 7页 1 3 4 0 9 4、 3 4 7 2、 2 9 4 5 M P a 。 从 图 5中可以看 出， 随着 养护龄 期的增加 ， 混 凝土试 块的抗压强度均不 同程度 的增 加 ； 但是 ， 随着含 铝物质掺 量 的增加 ， 混凝 土试块 在各个龄期 的抗压强度 均降低 ， 而 且养护龄期越长， 降低程度越明显。 这是因为内掺 A 1 ， O 或 A 1 ( O H) ， 都会减少水泥的用量， 这在一定程度上必然 会使混凝土强度有所 降低 。 试 验结果表 明， 虽然 提高含铝 物质的掺量可 以有效地抑制碱 一 硅酸反应 引起 的膨胀 ， 但 是 同时也会导致混凝土强度的降低 。 5O 40 室 3 0 器 2 0 1 0 O 50 40 星 3 0 置 2 0 1 0 0 0 l 0 2O 3O 掺量 ( a ) 掺 量 ( b ) 图 5混凝 土试 块 的抗压 强度 但是 ， 结合 3 1 节含铝物质 的掺量对混凝土 中碱 一 硅 酸反应膨胀性的影响 中所观察到的现象和结 论 ， 对本试验 中混凝土试块 的强度规律可 以做出如下预测 ： 随着养护龄 期 的继续增加 ， 未 掺含铝物质 的混 凝土试块 ， 其 强度势必 会在某一龄期之后强度突然降低 。 这是 因为在对混凝土棱 柱体膨胀率的测定过程 中， 发现未掺 A 1 ( O H) 的试件上 的裂纹随养 护 时间 的增 加而变 多变 大 ， 这 是混凝 土 中 的 碱 一 硅酸反应所引起的， 会导致混凝土试块抗压强度 的降 低 。 对于 内掺 A 1 ( O H) 的混凝土试块 ， 由于在所观察 的龄 期之 内没有发现其产生裂纹 ， 因此可 以预测 ， 随着养 护龄 上接第 1 3页 参考文献： 1 赵筠 钢 筋混凝土 结构的工作寿 命设计 一针对 氯盐污 染环 境 J 混凝土， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 3 1 5 2 李辉 海工混凝土结构防腐技术研究现状及应用 c 青岛海 湾大桥国际桥梁论坛论文集 ， 青岛， 2 0 0 8 ， 1 0 ： 4 7 0 4 7 4 I- 3 游劲秋， 胥瑞芳， 孟祥森， 等 近海大气环境下的钢筋混凝土保 护技术研究r J - 浙江建筑 ， 2 0 0 5 ( 1 0 ) ： 8 1 8 7 I- 4 - 1金伟良， 袁迎曙， 卫军， 等 氯盐环境下混凝土结构耐久性理论 与设计方法 M 科学出版社， 2 0 1 1 ： 3 5 5 元成方 ， 牛荻涛 海洋大气环境下粉煤灰混凝土耐久性研究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 1 ) ： 1 6 期的增加 ， 其抗压强度会稳定上升。 4结论 ( I ) A 1 ( O H) ， 对混凝土 中的碱 一硅 酸反应膨胀具 有 明显的抑制作用 ， 不 同的掺量起到 的抑 制效果不 同。 内掺 2 0 A 1 ( O H) ， ， 混凝土试件 5 2周膨胀率降低 5 0 7 ； 内掺 3 0 A 1 ( O H) ， 混凝土试件 5 2周膨胀率降低 7 3 0 ， 并且 1 3周后 的膨胀率变化非常小 ， 基本趋于稳定 ， 因此长期有 效地抑制了碱 一 硅酸反应 ， 避免 了 昆 凝土 的开裂现象。 ( 2 ) 随着 A 1 ： 0 ， 掺量的增加 ， 其对混凝 土中的碱 一 硅 酸反应膨胀具有一定 的抑制作用 ， 但是并没有显示 出长期 抑制效果。 当 A J 0 掺量为 3 0 时， 膨胀率仅降低 1 4 2 。 ( 3 ) 含铝物质的掺人在短期 内会 降低混凝土的抗压强 度 ， 含铝物质 的掺量越大 ， 强度降低得越明显。 参考文献： 1 B E N S T E D J ， B A R N E S P S t r u c t u r e a n d p e rf o r m anc e o f c e me n t s M 2 n d e d L o n d o n ： S p o n ， 2 0 0 2 ： 2 2 6 2 2 7 2 L O MB A R D I J ， P E R R U C H O T A， MA S S A R D P E x p e ri m e n t a l me a s u r e me n t o f t h e k i n e t i c s o f f o r ma t i o n o f g e l p r o du c e d b y the AS R 1 J 1 Ce me n t and C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 7， 2 7： 1 3 7 91 3 9 1 3 P R E Z Z I M T h e a l k a l i s i l i c a r e a c ti o n ， P a r t I ： U s e o f t h e d o u b l e l a y e r the o r yt o e x p l m nth e b e h a v i o r o f r e a c ti o n p r odu c t g e l s J A C I Ma t e ri a l s J o u r a l ， 1 9 9 7 ， 9 4 ( 1 ) ： 1 0 1 7 1- 4 封孝信 ， 冯乃谦 A 1 O， 对碱硅酸反应 的影响 J 河北理工学 院学报， 2 0 0 5 ， 5 ( 2 ) ： 9 1 9 4 5 徐惠忠 活性 A 1 O 对碱 一骨料反应( A S R) 的抑制与制动作 用 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 3 ， 3 ( 3 ) ： 2 1 3 2 1 7 6 H O N G S Y， G L A S S E R F P A l k a l i s o r p t i o n b y C - S H a n d C A S - H g e l s P a r t I I R o l e o f Al u mi n a r J C e me n t a n d Co n c r e t e R e s e arc h， 2 00 2， 3 2： 1 1 01 1 1 1 1 7 K O MA R NE N I S S ， R O Y D M S u b s ti t u t e d T o b e r mo r i t e ： s h o w s c a ti o n e x c h a n g J C e m e m a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 8 2 ， 1 2 ( 6 ) ： 7 7 3 7 8 0 1- 8 胡晨光 掺合料中 A 1 O 与 S i O 的比例对 A S R的影响及机理 研究 D 唐山： 河北理工大学， 2 0 0 5 作者简介 联 系地址 联系电话 刘刚( 1 9 8 8一) ， 男 ， 助理试验师 ， 研究方向： 主要从事 混凝土材料学的研究。 河北联合大学材料科学与工程学院( 0 6 3 0 0 9 ) 1 5 8 3 0 52 5 2 8 6 6 J I A N G L H The i n t e r r a c i a l z o n e and b o n d s t r e n g t h bet w e e n a g g r e g a t e s a n d c e me m p a s t e s i n c o r p o r a ti n g h i g h v o l u me s o f fl y a s h J - I C e m e n t and C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 4 ) ： 3 1 3 3 1 6 I- 7 刘军， 邢锋 盐雾环境下氯离子在混凝土中的扩散 J 深圳大 学学报： 理工版 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 9 21 9 8 作者简介： 姜慧( 1 9 7 0一) ， 女， 教授， 研究方向： 主要从事混凝土 结构耐久性研究。 联 系地址 ： 江苏省徐州市新城区徐州工程学院中心校区土木工 程学院( 2 2 1 1 1 1 ) 联系电话 ： 1 5 1 5 0 0 1 5 5 5 2 1 7